BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 43 3.2.6 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 GIỚI THIỆU
Sau khi tính tốn và thiết kế, nhóm đề tài tiến hành thi cơng mơ hình đếm số lượng trong khâu đóng gói bánh kẹo. Mơ hình bao gồm:
1 mơ hình băng tải (gồm 1 băng tải, 1 relay, 1 servo MG996): tải kẹo đến các vị trí servo đã định sẵn, nhằm đẩy kẹo xuống rãnh theo đúng số lượng theo yêu cầu.
1 buồng chụp ảnh (bao gồm 1 camera, 1 cảm biến hồng ngoại, 2 bóng đèn led siêu sáng) có chức năng dừng băng tải khi cảm biến phát hiện cho kẹo, chụp ảnh và xử lý số lượng kẹo trên băng tải.
1 Kit Raspberry Pi 3 Model B+. 1 màn hình máy tính.
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.1 Chuẩn bị phần cứng
Sau khi tính tốn và thiết kế, chúng ta chuẩn bị linh kiện tiến hành lắp ráp.
Bảng 4. 1: Danh sách các linh kiện.
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 Băng tải Nhơm và
nhựa
Bao gồm: đế, rịng rọc, dây băng tải
2 Kit Raspberry Điện áp hoạt động: 5V Dòng: 1A
Kit
Raspberry
Có quạt tảng nhiệt
3 Camera Pi Điện áp hoạt động: 5V Dòng: 250mA Camera Pi 4 Servo MG996R Điện áp hoạt động: 5V Dòng: 900mA Nhựa cứng
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45
5 Cảm biến Điện áp hoạt động: 5V Dòng: 300mA
Nhựa
6 Relay Điện áp hoạt động: 5V Dòng cho phép: 10A Dịng kích: 5mA
Nhựa
7 Led siêu sáng Điện áp hoạt động: 5V Dòng: 15mA
Led
8 Bo mạch Nhựa cứng 9 Nguồn tổ ong Điện áp vào: 220 VAC
Điện áp ra: 12VDC Dòng ra: 2A
Thép
10 Adapter Điện áp vào: 220 VAC Điện áp ra: 5VDC Dòng ra: 2A
Nhựa cứng
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Là phần kết nối giữa các linh kiện và các module, tạo thành một khối thống nhất với nhau.
Phần băng tải
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 46
Hình 4. 1: Băng tải và động cơ DC
Phần máng trượt
Máng trượt chia làm hai phần:
Phần thứ nhất là máng khi đếm số lượng sản phẩm không theo yêu cầu được servo gạt ra ngoài.
Phần thứ hai là máng đưa sản phẩm sau khi được đếm số lượng đúng.
Hình 4. 2: Máng đưa sản phẩm sau khi phân loại
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 47
Phần hộp camera
Hình 4. 3: Buồng chụp ảnh nhìn từ phía dưới lên trên
Led trên cùng của buồng chụp ảnh để đảm bảo cung cấp ổn định nguồn sáng trắng cho việc chụp ảnh.
Phần máng đựng kẹo
Tiến hành vẽ máng đựng kẹo trên Solid work rồi đi in 3D sản phẩm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 48
Hình 4. 5: Khn kẹo thực tế
4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH
Sau khi thực hiện cơng đoạn lắp ráp và kiểm tra nhóm tiến hành bố trí các thành phần và hồn thiện hệ thống để dễ dàng vận chuyển, vận hành, đảm bảo an tồn khi sử dụng.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 49 4.3.1 Thi cơng mơ hình
Hình 4. 6: Mơ hình thực tế nhìn từ phía trước
Hình 4. 7: Mơ hình thực tế nhìn từ trên xuống
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.4.1 Nhúng chương trình xuống Raspberry Pi
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 50
Sau khi kết nối thành công Raspberry Pi với Matlab cũng như hồn thành việc lập trình để tiến hành biên dịch và tổng hợp code lên Raspberry Pi cần làm theo những bước sau.
Bước 1: Kết nối Raspberry với Matlab
Hình 4. 8: Kết nối Raspberry và Matlab thành công.
Bước 2: Trên Command Window gõ lệnh:“board=targetHardware('RaspberryPi')”
Hình 4. 9: Kết nối tới board Raspberry Pi
Bước 3: Trên Command Window gõ lệnh :“ deploy(board,'FunctionName')” với FunctionName là tên chương trình Matlab.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 51
Nếu biên dịch thành cơng thì sẽ có thơng báo như hình sau:
Hình 4. 11: Biên dịch thành cơng
Tệp được tạo ra lưu trong đường dẫn ở thẻ BUILD LOGS.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 52
Truy cập vào đường dẫn trên vào Raspberry Pi để kiểm tra kết quả:
Hình 4. 13: Tệp được tạo với tên counter_7.elf trên đường dẫn thu được
Chạy thử chương trình trên tệp vừa tạo để kiểm tra kết quả. Nhấp chuột chọn
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53
Hình 4. 14: Chạy chương trình vừa được tạo
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 54
Hình 4. 16: Kết quả thu được
Trường hợp biên dịch lỗi sẽ có thơng báo như sau:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55
Đa phần lỗi biên dịch không thành công do các hàm sử dụng không phù hợp với việc hỗ trợ cho việc biên dịch lên Raspberry Pi. Cách kiểm tra các hàm sử dụng có phù hợp hay không: Bôi đen vào hàm cần kiểm tra và nhấn F1 trên bàn phím, sau đó kiểm tra trong cửa sổ hỗ trợ nếu có thơng báo sau thì hàm đó được hỗ trợ cho việc biên dịch.
Hình 4. 18: Hàm được hỗ trợ cho việc biên dịch
Nếu khơng có thơng báo đó thì chúng ta cần phải thay đổi các hàm khác để có thể biên dịch thành công.
4.4.2 Lưu đồ giải thuật
Từ yêu cầu đã xác định của đề tài nhóm xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình chính như sau:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56
Lưu đồ chương trình chính
Bắt đầu
Khới tạo giá trị ban đầu của
biến.
Kiểm tra cơng tắc
Chụp hình và lưu ảnh Xử lý hình ảnh Đếm đối tượng Kết thúc Đ S
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57
Giải thích lưu đồ
Đầu tiên, thực hiện khai báo thư viện, khởi tạo các biến, khai báo thơng số, cấu hình các thiết bị ngoại vi.... Kiểm tra công tắc đã được chuyển sang chế độ ON hay chưa.
Nếu đã bật cơng tắc thì tiến hành mở ứng dụng trên màn hình máy tính, lúc này servo sẽ quay trả về vị trí 0 độ.
Tiếp tục q trình vận hành, băng chuyền tải khuôn kẹo vào buồng chụp, sau khi cảm biến tiệm cận phát hiện có khn kẹo trên băng tải thì Raspberry Pi sẽ điều khiển relay để dừng băng tải, đồng thời ghi nhận tín hiệu hình ảnh thu được từ camera. Sau đó, Raspberry Pi sẽ xử lý, phân tích và cho ra kết luận cuối cùng về số lượng kẹo có trong khn. Khi đã có kết luận về số lượng kẹo thì Raspberry Pi điều khiển relay cho phép băng tải chạy trở lại, nếu số lượng kẹo đếm được khác với thông số đã cài đặt trước thì Raspberry Pi điều khiển servo gạt, ngược lại thì servo sẽ khơng bị tác động. Đồng thời, hệ thống hiện thị số lượng, số hộp, chênh lệch số lượng so với thông số đặt trước lên trên màn hình.
Quá trình tiếp tục lặp lại đối với khuôn kẹo tiếp theo cho đến khi ta dừng chương trình (cơng tắc chuyển sang chế độ OFF). Kết quả quá trình sẽ được lưu lại vào file.txt.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58 Bắt đầu Cho phép chụp Quay video Chụp ảnh Lưu ảnh Kết thúc S Đ Hình 4. 20: Lưu đồ chụp và lưu ảnh Giải thích lưu đồ:
Khi hệ thống bắt đầu hoạt động, nếu có tín hiệu cho phép chụp từ Raspberry Pi, camera sẽ quay (ghi hình) quá trình khn kẹo ở trong buồng chụp. Với tín hiệu cho phép chụp từ Raspberry Pi (cảm biến tiệm cận hồng ngoại tích cực mức cao khi khn kẹo di chuyển đến trước cảm biến) camera sẽ chụp lại khung ảnh tại thời điểm và vị trí đó. Q trình này lặp lại với khn kẹo khác khi tiến vào buồng chụp. Ảnh của khuôn kẹo trước sẽ được tự động thay thế bởi ảnh của khn kẹo sau.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59
Xử lý ảnh
Bắt đầu
Lấy ảnh đầu vào
Chuyển ảnh màu thành ảnh xám Chọn ngưỡng thích hợp Chuyển ảnh xám thành ảnh nhị phân Kết thúc Áp dụng phương pháp hình thái học Hình 4. 21: Lưu đồ chương trình xử lý ảnh Giải thích lưu đồ:
Chương trình xử lý ảnh đầu vào được thực hiện qua các quá trình cụ thể. Đầu tiên, ảnh sẽ được chụp từ camera và chuyển ảnh đầu vào sang ảnh xám và tiếp theo tìm giá trị ngưỡng thích hợp. Sau đó, chuyển sang ảnh nhị phân. Kế tiếp sử dụng các phương pháp hình thái học để lọc nhiễu, thu các đối tượng trong ảnh cũng như loại bỏ các đối tượng khơng mong muốn.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 60
Đếm đối tượng
Bắt đầu
Kiểm tra số lượng
Xác định tâm đối tượng trong ảnh
Đếm đối tượng
Lưu kết quả và hiển thị
Kết thúc Điều khiển servo
S
Đ
Hình 4. 22: Lưu đồ chương trình đếm số lượng
Giải thích lưu đồ:
Sau khi ảnh đã qua chương trình xử lý ảnh, tiến hành áp dụng phương pháp tìm tâm của đối tượng trong ảnh. Dựa vào số lượng tâm tìm thấy để xác định số lượng kẹo có trong ảnh. Tiến hành so sánh số lượng đếm được với thông số đặt trước để điều khiển servo.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61
4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN
Hướng dẫn sử dụng:
Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống: hệ thống sử dụng 3 bộ nguồn là :1 adapter
(5V, 2A) sử dụng cho Raspberry Pi; 1 bộ nguồn (12V, 2A) dùng cho băng tải, đèn led siêu sáng (buồng chụp ảnh); 1 nguồn 220V cung cấp cho màn hình LCD. Khi cấp nguồn thì đèn báo hiệu trên Raspberry Pi, đèn led trong buồng chụp ảnh có điện sáng lên, băng chuyền hoạt động, màn hình LCD hiển thị hoạt động của hệ thống.
Bước 2: Chạy chương trình điều khiển hệ thống
Kiểm tra cơng tắc đã chuyển sang trạng thái ON.
Hình 4. 23: Cơng tắc ở vị trí ON
Trên giao diện desktop ta tiến hành dùng chuột mở code chương trình chính điều khiển hệ thống.
Ở đây nhóm đề tài đặt tên chương trình là :
“counter_4.elf”: là chương trình chạy đếm 4 viên/hộp. “counter_5.elf”: là chương trình chạy đếm 5 viên/hộp. “counter_7.elf”: là chương trình chạy đếm 7 viên/hộp.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 62
“counter_8.elf”: là chương trình chạy đếm 8 viên/hộp.
Hình 4. 24: Chạy chương trình đếm 7 viên/hộp
Bước 3: Phân loại theo số lượng sản phẩm
Kẹo sẽ được để trong khuôn ở đầu băng tải và sẽ di chuyển đến cuối băng tải hoặc được servo tác động đẩy xuống hộp chứa.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 63
Hình 4. 25: Khn kẹo trước khi đưa vào buồng chụp
Sau khi cảm biến tác động thì băng tải sẽ dừng để camera tiến hình chụp hình ảnh gửi về khối xử lý trung tâm và tiến hành đếm sản phẩm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 64
Sau khi xử lý xong kết quả sẽ được xuất hiện trên màn hình LCD, nếu số lượng kẹo khơng đúng với số lượng đã đặt trước thì servo sẽ quay đẩy sản phẩm xuống hộp chứa lỗi. Kết quả sẽ được cập nhật trên màn hình và file lưu trữ kết quả.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 65
Hình 4. 28: Số lượng kẹo đúng thì servo khơng tác động
Tiếp theo khuôn kẹo thứ 2 sẽ được đưa vào buồng ảnh và được kiểm tra, xử lý theo trình tự như trên.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 66
Hình 4. 30: Khn kẹo tiếp theo được đưa vào buồng chụp
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 67
Hình 4. 32: Số lượng kẹo sai thì servo tác động kẹo xuống máng
Hệ thống sẽ thốt khi cơng tắc chuyển sang trạng thái OFF.
Hình 4. 33: Cơng tắc ở vị trí OFF
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 68
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 70 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ
5.1 KẾT QUẢ
5.1.1 Tổng quan kết quả đạt được
Mục tiêu ban đầu của đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống đếm số lượng trong
khâu đóng gói bánh kẹo” là đếm số lượng kẹo có trong khn. Dựa trên ngơn ngữ
Matlab và được thực hiện trên Kit Raspberry.
Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, nhóm đã rút ra được nhiều vấn đề khác nhau, từ việc sử dụng phần mềm, các phương pháp giải thuật, cho tới sử dụng phần cứng. Thời gian thực hiện trong khoảng thời gian 15 tuần. Trong đó, gồm các vấn đề sau:
Đối với phần cứng: biết sử dụng Kit Raspberry, cài đặt hệ điều hành cho Raspberry Pi, biết sử dụng Camera Pi, hiểu biết sâu hơn về sử dụng các tính năng của Raspberry Pi như giao tiếp giữa Raspberry Pi với các module liên quan.
Đối với phần mềm: biết cách lập trình cơ bản trên Matlab, cũng như tiến hành chạy code Matlab trên Raspberry Pi độc lập và các giải thuật liên quan đến đề tài, tìm hiểu và nghiên cứu biết được các giải thuật xử lý ảnh để thực hiện xử lý ảnh.
5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
5.2.1 Mơ hình sản phẩm thực tế
Mơ hình sản phẩm hoàn thiện bao gồm băng chuyền, servo SG996, buồng sáng, camera.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 71
Hình 5.1: Mơ hình thực tế nhìn từ phía trước
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 72 5.2.2 Kết quả thực nghiệm từ việc đếm số lượng
Khởi động phần mềm trên máy tính và tiến hành kiểm tra ảnh của nhiều trường hợp khác nhau
Đếm 4 viên/hộp.
Hình 5.3: Kết quả chụp từ camera (3 viên) Hình 5.4: Kết quả sau khi xử lý (3 viên)
Nhận xét: Kết quả thu được thiếu 1 viên so với yêu cầu đặt ra.
Hình 5.5: Kết quả chụp từ camera (4 viên) Hình 5.6: Kết quả sau khi xử lý (4 viên)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 73
Hình 5.7: Kết quả chụp từ camera (4 viên) Hình 5.8: Kết quả sau khi xử lý (4 viên)
Nhận xét: Kết quả thu được đúng so với yêu cầu đặt ra, số Box tăng thêm 1.
Hình 5.9: Kết quả chụp từ camera (7 viên) Hình 5.10: Kết quả sau khi xử lý (7 viên)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 74
Hình 5. 11: Kết quả của quá trình chạy lưu trong file text.
Đếm 7 viên/hộp.
Hình 5.12: Kết quả chụp từ camera (4 viên) Hình 5.13: Kết quả sau khi xử lý (4 viên)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 75
Hình 5.14: Kết quả chụp từ camera (7 viên) Hình 5.15: Kết quả sau khi xử lý (7 viên)
Nhận xét: Kết quả thu được đúng so với yêu cầu đặt ra, số Box tăng thêm 1.
Hình 5.16: Kết quả chụp từ camera (7 viên) Hình 5.17: Kết quả sau khi xử lý (7 viên)
Nhận xét: Kết quả thu được đúng so với yêu cầu đặt ra, số Box tăng thêm 1.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 76 Nhận xét: Kết quả thu được thừa 1 so với yêu cầu đặt ra.
Hình 5.20: Kết quả của quá trình chạy lưu trong file text
Những trường hợp đếm lỗi
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 77
Hình 5. 23: Kết quả chụp từ camera Hình 5. 24: Kết quả sau khi xử lý
Kết luận: Các trường hợp đếm sai chủ yếu do việc sắp xếp vị trí của các đối
tượng trong ảnh (xếp chồng, sát nhau,..) dẫn đến sai sót trong q trình xử lý ảnh.
5.3 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ
5.3.1 Nhận xét
Sau 15 tuần nghiên cứu và thực hiện đề tài, hệ thống đã đáp ứng được những